WO2017111444A1 - 생체 데이터 측정 장치 - Google Patents

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WO2017111444A1
WO2017111444A1 PCT/KR2016/014966 KR2016014966W WO2017111444A1 WO 2017111444 A1 WO2017111444 A1 WO 2017111444A1 KR 2016014966 W KR2016014966 W KR 2016014966W WO 2017111444 A1 WO2017111444 A1 WO 2017111444A1
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light
layer
well
well layer
wavelength
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김종국
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LG Innotek Co Ltd
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LG Innotek Co Ltd
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    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B5/00—Measuring for diagnostic purposes; Identification of persons
    • A61B5/02—Detecting, measuring or recording for evaluating the cardiovascular system, e.g. pulse, heart rate, blood pressure or blood flow
    • A61B5/024—Measuring pulse rate or heart rate
    • A61B5/02416—Measuring pulse rate or heart rate using photoplethysmograph signals, e.g. generated by infrared radiation
    • A61B5/02427—Details of sensor
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B5/00—Measuring for diagnostic purposes; Identification of persons
    • A61B5/72—Signal processing specially adapted for physiological signals or for diagnostic purposes
    • A61B5/7203—Signal processing specially adapted for physiological signals or for diagnostic purposes for noise prevention, reduction or removal
    • A61B5/7207—Signal processing specially adapted for physiological signals or for diagnostic purposes for noise prevention, reduction or removal of noise induced by motion artifacts

Definitions

  • An embodiment relates to an apparatus for measuring biometric data.
  • Chronic diseases such as high blood pressure, diabetes, cerebrovascular disease and heart disease continue to increase.
  • the causes are almost half of disease outbreaks caused by health behaviors of individuals and groups, especially diets and sports-related diets. Therefore, it is difficult to solve such chronic diseases by the biomedical model of modern medicine alone, and a health-promoting approach of removing the health risk factors through the improvement of lifestyle is required.
  • individual-level exercise therapy such as walking as a prophylaxis or replacement therapy for chronic diseases is being successfully performed.
  • a pedometer or an exercise calorimeter is generally used to check the amount of exercise, but recently, a method of estimating the heart rate of an exerciser by measuring the heart rate during exercise in real time has also been proposed.
  • Heart rate measurement methods include piezoelectric using a piezo element, magnetic using a magnetic tunnel tunnel (MTJ) element, compression using a film type pressure sensor, impedance using a bioelectric impedance, and optical.
  • MTJ magnetic tunnel tunnel
  • the conventional heart rate measuring device In the conventional heart rate measuring device, light is irradiated to blood vessels of the human body, and the heart rate is measured using the light received through the human body.
  • the penetration rate and the light receiving rate of the irradiated light vary depending on race, sex, age, weight, or skin tissue, so it may be difficult to accurately measure heart rate.
  • the embodiment provides a biometric data measuring apparatus capable of calculating accurate biometric data without being significantly affected by race, gender, age, weight, or skin tissue.
  • the light irradiation unit for irradiating green light having a half-value width of 50 nm or more to the human body of the user;
  • a light receiving unit receiving light reflected from the human body or transmitted from the human body after being irradiated from the light irradiation unit;
  • a controller configured to calculate the biometric data of the user using the received light.
  • the lower limit wavelength of the half width may be smaller than 500 nm, and the upper limit wavelength of the half width is greater than 520 nm.
  • the wavelength range of the full width at half maximum may include a wavelength of 520nm.
  • the intensity of the green light may have a shape in which the valley and the floor are repeated, and the minimum value of the valley may be 80% or more of the maximum value of the floor.
  • the light irradiation unit For example, the light irradiation unit; And a light emitting structure including a first conductive semiconductor layer, an active layer, and a second conductive semiconductor layer sequentially disposed on the substrate, wherein the active layer includes a plurality of well layers and a plurality of barrier layers that are alternately disposed. And a wavelength of at least two lights respectively emitted from at least two well layers of the plurality of well layers.
  • the at least two well layers may include at least three well layers, and the at least three well layers may emit at least three light having different wavelengths.
  • the at least three lights include first to third lights, and the peak wavelength of any one of the first to third lights includes 480 nm, and among the first to third lights.
  • the range of the other peak wavelength may include 520 nm, and the range of the other peak wavelength of the first to third lights may include 500 nm.
  • the light irradiation part may further include an electron blocking layer disposed between the active layer and the second conductive semiconductor layer.
  • the at least two well layers may include a first well layer disposed between the electron blocking layer and the first conductive semiconductor layer; A second well layer disposed between the first well layer and the first conductivity type semiconductor layer; And a third well layer disposed between the second well layer and the first conductive semiconductor layer, wherein the second or third well layer has the smallest energy band gap among the first to third well layers.
  • a first well layer disposed between the electron blocking layer and the first conductive semiconductor layer
  • a second well layer disposed between the first well layer and the first conductivity type semiconductor layer
  • a third well layer disposed between the second well layer and the first conductive semiconductor layer, wherein the second or third well layer has the smallest energy band gap among the first to third well layers.
  • the peak wavelength of the first light emitted from the first well layer may be present between the peak wavelength of the second light emitted from the second well layer and the peak wavelength of the third light emitted from the third well layer.
  • the wavelength of the first light emitted from the first well layer may be lower than the wavelength of the second light emitted from the second well layer and the wavelength of the third light emitted from the third well layer.
  • the energy band gap of the second well layer may be greater than the energy band gap of the third well layer.
  • the energy band gap of the second well layer may be the smallest and the energy band gap of the third well layer may be the largest.
  • the energy band gap of the third well layer may be greater than the energy band gap of the second well layer.
  • the doping concentration of the electron blocking layer may be 1 ⁇ E17 atoms / cm 3 to 1 ⁇ E22 atoms / cm 3.
  • the biometric data measuring device may further include a housing which may be worn on the wrist of the user and in which the light irradiator and the light receiver are disposed adjacent to each other.
  • the controller may calculate the heart rate of the user using the received light.
  • the light irradiation part may include a light source emitting light having a half width less than 50 nm; And a light conversion unit converting the full width at half maximum of the light emitted from the light source to 50 nm or more and irradiating the human body as the green light.
  • the light conversion unit converts the lower limit wavelength and the upper limit wavelength of the half width of the light emitted from the light source to generate the green light having a half width of 50 nm or more, and relatively more the lower limit wavelength than the upper limit wavelength. I can convert it.
  • the light source and the light conversion unit may be integrated.
  • the biometric data measuring apparatus may measure the biometric data, for example, the heart rate using green light having a wide half-width, the heart rate, which is the biometric data, is not significantly influenced by race, sex, age, weight, or skin tissue. Can be calculated accurately.
  • FIG. 1 is a schematic cross-sectional view of a biometric data measuring apparatus according to an embodiment coupled to a human body of a user.
  • FIG. 2 is a block diagram of an apparatus for measuring biometric data according to an exemplary embodiment.
  • 3A and 3B are graphs for explaining light having a first half width and light having a second half width.
  • FIG. 4 is a cross-sectional view of another embodiment of the light irradiation part illustrated in FIG. 1.
  • FIG. 5 is an enlarged cross-sectional view of the active layer shown in FIG. 4.
  • 6A to 6C show an energy band diagram according to an embodiment of the active layer shown in FIG. 5.
  • FIG. 7 is a graph showing wavelength-specific intensity of light emitted from an active layer having a conductive band having a shape as shown in FIG. 6C.
  • FIG. 8 is a block diagram according to an exemplary embodiment of the control unit shown in FIG. 2.
  • 9A and 9B are graphs showing AC / DC ratios of parts of the human body as a function of intensity.
  • the upper (up) or the lower (down) (on or under) when described as being formed on the “on” or “on” (under) of each element, the upper (up) or the lower (down) (on or under) includes both the two elements are in direct contact with each other (directly) or one or more other elements are formed indirectly formed (indirectly) between the two elements.
  • the upper (up) or the lower (down) (on or under) when expressed as “up” or "on (under)", it may include the meaning of the downward direction as well as the upward direction based on one element.
  • relational terms such as “first” and “second,” “upper / upper / up” and “lower / lower / lower”, etc., as used below, may be used to refer to any physical or logical relationship between such entities or elements, or It may be used to distinguish one entity or element from another entity or element without necessarily requiring or implying an order.
  • FIG. 1 schematically shows a cross section in which the biometric data measuring apparatus 100 according to an embodiment is coupled to a human body U of a user
  • FIG. 2 illustrates a block diagram of the biometric data measuring apparatus 100 according to an embodiment. .
  • the biometric data measuring apparatus 100 may include a housing 110, a light irradiation unit 120: 120A, a light receiving unit 130, a control unit 140, and a notification unit ( 150).
  • a housing 110 may include a light irradiation unit 120: 120A, a light receiving unit 130, a control unit 140, and a notification unit ( 150).
  • the illustration of the control unit 140 and the notification unit 150 is omitted in FIG. 1, and the illustration of the housing 110 is omitted in FIG. 2.
  • the light irradiation unit 120 serves to irradiate green light having a full width at half maximum (FWHM) of 50 nm or more to the human body U of the user.
  • FWHM full width at half maximum
  • FIGS. 3A and 3B are graphs for explaining light having a first half width wh1 and light having a second half width wh2, in which the horizontal axis represents wavelength and the vertical axis represents light intensity, that is, intensity. Indicates.
  • Figure 3b is a graph showing the intensity of light, that is, the intensity percentage.
  • the light irradiation unit 120 shown in FIG. 1 may be implemented as shown in FIG. 2. That is, the light irradiation unit 120A illustrated in FIG. 2 corresponds to an embodiment of the light irradiation unit 120 illustrated in FIG. 1.
  • the light irradiator 120A illustrated in FIG. 2 may include a light source 122 and a light converter 124.
  • the light source 122 serves to emit light having a first half width wh1 of less than 50 nm. For example, as shown in FIG. 3A, light having a first half width wh1 of 28 nm or less smaller than 50 nm may be emitted from the light source 122.
  • the light source 122 may be a light emitting diode chip, and the embodiment is not limited to a specific form of the light source 122.
  • the light emitting diode chip may be composed of a blue LED chip or an ultraviolet LED chip, or a package in which at least one or more of a red LED chip, a green LED chip, a blue LED chip, a yellow green LED chip, and a white LED chip are combined. It may be configured as.
  • the white LED may be implemented by combining yellow phosphor on a blue LED, or using red phosphor and green phosphor on a blue LED at the same time.
  • the light converting unit 124 converts the first half width wh1 of the light emitted from the light source 122 into a second half width wh2 of 50 nm or more, and then converts the light having the half width of 50 nm or more into the human body U as green light. Investigate with).
  • the second half width wh2 may be 50 nm or more, as shown in FIG. 3B.
  • the light conversion unit 124 converts the first half width wh1 of the light into the second half width wh2 to the lower limit wavelength WL and the upper limit of the first half width wh1.
  • the wavelength WH was adjusted.
  • the light conversion unit 124 adjusts the lower limit wavelength WL relatively more than the upper limit wavelength WH, but the embodiment is not limited thereto.
  • FIG. 4 is a cross-sectional view of another embodiment 120B of the light irradiation part 120 illustrated in FIG. 1.
  • the light irradiation part 120B may emit light having a second half width wh2 of 50 nm or more and irradiate the human body as green light.
  • the light irradiation part 120B may include a light emitting device as shown in FIG. 4. That is, the green light having the second half width wh2 of 50 nm or more can be emitted from the light emitting element itself. That is, the light irradiator 120B illustrated in FIG. 4 corresponds to a case where the light source 122 and the light converter 124 illustrated in FIG. 2 are integrated.
  • the light irradiation part 120B illustrated in FIG. 4 is illustrated as a light emitting device having a horizontal bonding structure, the embodiment is not limited to a specific bonding type of the light emitting device. That is, according to another embodiment, the light emitting device implementing the light irradiation unit 120B may have a vertical bonding structure or a flip chip bonding structure.
  • the light irradiation part 120B illustrated in FIG. 4 may include a substrate 210, a light emitting structure 220, and first and second electrodes 242 and 224.
  • the substrate 210 may include a conductive material or a non-conductive material.
  • the substrate 210 may include at least one of sapphire (Al 2 O 3 ), GaN, SiC, ZnO, GaP, InP, Ga 2 O 3 , GaAs, and Si.
  • the substrate 210 when the substrate 210 is a silicon substrate, it may have a (111) crystal plane as the main surface. In the case of a silicon substrate, a large diameter is easy and thermal conductivity is high, but cracks are generated in the light emitting structure 220 due to a difference in thermal expansion coefficient and lattice mismatch between the silicon and the nitride-based light emitting structure 220. Problems may also arise.
  • a buffer layer (or a transition layer) (not shown) may be disposed between the substrate 210 and the light emitting structure 220.
  • the buffer layer may include, but is not limited to, at least one material selected from the group consisting of Al, In, N, and Ga, for example.
  • the buffer layer may have a single layer or a multilayer structure.
  • the light emitting structure 220 is disposed on the substrate 210.
  • the light emitting structure 220 may include a first conductive semiconductor layer 222, an active layer 224, and a second conductive semiconductor layer 226 sequentially disposed on the substrate 210.
  • the first conductivity type semiconductor layer 222 is disposed on the substrate 210.
  • the first conductive semiconductor layer 222 may be implemented with a compound semiconductor such as a III-V group or a II-VI group doped with the first conductive dopant, and may be doped with the first conductive dopant.
  • the first conductivity-type semiconductor layer 222 is an n-type semiconductor layer
  • the first conductivity-type dopant may be an n-type dopant and may include Si, Ge, Sn, Se, Te, but is not limited thereto.
  • the first conductivity type semiconductor layer 222 has a composition formula of Al x In y Ga (1-xy) N (0 ⁇ x ⁇ 1, 0 ⁇ y ⁇ 1, 0 ⁇ x + y ⁇ 1). It may include a semiconductor material.
  • the first conductive semiconductor layer 222 may include at least one of GaN, InN, AlN, InGaN, AlGaN, InAlGaN, AlInN, AlGaAs, InGaAs, AlInGaAs, GaP, AlGaP, InGaP, AlInGaP, InP.
  • the active layer 224 may be disposed between the first conductivity type semiconductor layer 222 and the second conductivity type semiconductor layer 226.
  • electrons (or holes) injected through the first conductivity-type semiconductor layer 222 and holes (or electrons) injected through the second conductivity-type semiconductor layer 226 meet each other, thereby forming an active layer ( 224 is a layer that emits light with energy determined by the energy bands inherent in the material making up it.
  • the active layer 224 may include at least one of a single well structure, a multi well structure, a single quantum well structure, a multi quantum well structure (MQW), a quantum-wire structure, or a quantum dot structure. It can be formed as one.
  • a single well structure a multi well structure, a single quantum well structure, a multi quantum well structure (MQW), a quantum-wire structure, or a quantum dot structure. It can be formed as one.
  • the well layer / barrier layer of the active layer 224 may be formed of any one or more pair structures of InGaN / GaN, InGaN / InGaN, GaN / AlGaN, InAlGaN / GaN, GaAs (InGaAs) / AlGaAs, GaP (InGaP) / AlGaP.
  • the well layer may be formed of a material having a band gap energy lower than the band gap energy of the barrier layer. That is, the active layer 224 may include a plurality of well layers and a plurality of barrier layers alternately disposed.
  • a conductive clad layer (not shown) may be formed on or under the active layer 224.
  • the conductive clad layer may be formed of a semiconductor having a higher band gap energy than the band gap energy of the barrier layer of the active layer 224.
  • the conductive clad layer may include GaN, AlGaN, InAlGaN, or a superlattice structure.
  • the conductive clad layer may be doped with n-type or p-type.
  • the second conductivity type semiconductor layer 226 may be disposed on the active layer 224.
  • the second conductivity-type semiconductor layer 226 may be formed of a semiconductor compound, and may be implemented as a compound semiconductor such as a III-V group or a II-VI group.
  • the second conductivity-type semiconductor layer 226 includes a semiconductor material having a composition formula of In x Al y Ga 1-xy N (0 ⁇ x ⁇ 1, 0 ⁇ y ⁇ 1, 0 ⁇ x + y ⁇ 1). can do.
  • the second conductive semiconductor layer 226 may be doped with a second conductive dopant.
  • the second conductivity type dopant may include Mg, Zn, Ca, Sr, Ba, or the like as a p type dopant.
  • the first conductive semiconductor layer 222 may be a p-type semiconductor layer, and the second conductive semiconductor layer 226 may be an n-type semiconductor layer.
  • the first conductive semiconductor layer 222 may be an n-type semiconductor layer, and the second conductive semiconductor layer 226 may be a p-type semiconductor layer.
  • the light emitting structure 220 may be implemented as any one of an n-p junction structure, a p-n junction structure, an n-p-n junction structure, and a p-n-p junction structure.
  • the light irradiation part 120B may further include an electron blocking layer (EBL) 230.
  • the electron blocking layer 230 may be disposed between the active layer 224 and the second conductivity type semiconductor layer 226. Since the electron blocking layer 230 has a larger energy band gap than the second conductivity type semiconductor layer 226, the electrons provided from the first conductivity type semiconductor layer 222 are not recombined in the active layer 224, and thus the second electron blocking layer 230 is not. Overflowing into the conductive semiconductor layer 226 can be effectively prevented. Therefore, the electron blocking layer 230 may improve light efficiency of the light irradiation part 120B by reducing electrons consumed due to overflowing.
  • the electron blocking layer 230 should have a large energy band gap and an appropriate thickness.
  • a second conductivity type AlGaN or InAlGaN layer may be mainly used, but embodiments are not limited thereto.
  • the electron blocking layer 230 may be omitted.
  • first and second electrodes 242 and 244 may include at least one of aluminum (Al), titanium (Ti), chromium (Cr), nickel (Ni), copper (Cu), and gold (Au). It may be formed in a single layer or a multi-layer structure.
  • the active layer 224 of the light irradiation part 120B shown in FIG. 4 that emits light having the second half width wh2 will be described as follows.
  • FIG. 5 is an enlarged cross-sectional view of the active layer 224 illustrated in FIG. 4.
  • the active layer 224 includes barrier layers B1, B2, B3, B4,... And well layers W1, W2, W3,... Can be.
  • the first well layer is disposed between the electron blocking layer (EBL) 230 and the first conductivity type semiconductor layer 222, and the second well layer is between the first well layer and the first conductivity type semiconductor layer 222.
  • the third well layer is disposed between the second well layer and the first conductivity type semiconductor layer 222.
  • the first, second and third well layers are disposed in a direction away from the electron blocking layer (EBL) 230.
  • the first, second and third well layers will be described as corresponding to W1, W2 and W3 respectively shown in FIG. 5, but the embodiment is not limited thereto.
  • the first well layer is W1
  • the second well layer may be any one of W2 to W6
  • the third well layer is a layer other than the second well layer among W3 to W6, and may be an electron blocking layer ( EBL) 230 may be a layer disposed away from.
  • EBL electron blocking layer
  • the first barrier layer B1 is disposed between the electron blocking layer EBL 230 and the first well layer W1
  • the second barrier layer B2 is the first well layer W1 and the second well layer.
  • the third barrier layer B3 is disposed between the second well layer W2 and the third well layer W3, and the fourth barrier layer B4 is disposed between the second well layer W3. ) And the fourth well layer W4.
  • wavelengths of at least two lights emitted from at least two well layers among the plurality of well layers W1, W2, W3,..., May be different from each other.
  • the second half width wh2 of the light emitted from the active layer 224 may be 50 nm or more.
  • FIG. 6A to 6C illustrate an energy band according to an embodiment of the active layer 224 illustrated in FIG. 5.
  • Ec represents the conduction band
  • a valence band Ev of the same shape is disposed below the conduction band Ec.
  • bandgap energy the level difference between the conduction band Ec and the valence band Ev.
  • the first through third discharges from the first, second and third well layers W1, W2, and W3 of the plurality of well layers W1, W2, W3,...
  • the wavelengths of the lights L1, L2, and L3 may be different from each other.
  • the range of the peak wavelength of any one of the first to third light includes 480 nm, and the other of the first to third light (L1, L2, L3)
  • the range of the peak wavelength may include 520 nm, and the range of the peak wavelength of the other one of the first to third lights L1, L2, and L3 may include 500 nm.
  • the active layer may be greater than or equal to 50 nm.
  • the first light L1 having a peak wavelength of 480 nm is emitted from the first well layer W1
  • the second light having a peak wavelength of 500 nm is emitted from the second well layer W2.
  • Light L2 may be emitted
  • third light L3 having a peak wavelength of 520 nm may be emitted from the third well layer W3.
  • the energy band gap of the second well layer W2 may be larger than the energy band gap of the third well layer W3.
  • the first light L1 having a peak wavelength of 480 nm is emitted from the first well layer W1
  • the second light having a peak wavelength of 520 nm is emitted from the second well layer W2.
  • L2 may be emitted
  • the third light L2 having a peak wavelength of 500 nm may be emitted from the third well layer W3.
  • FIG. 7 is a graph showing the intensity of each wavelength of the light LT emitted from the active layer 224 having the conduction band Ec having the shape as shown in FIG. 6C, where the horizontal axis represents wavelength and the vertical axis represents intensity. .
  • Figure 7 is a graph showing the intensity of light, that is, the intensity percentage.
  • the first light L1 having a peak wavelength of 500 nm is emitted from the first well layer W1
  • the first light L1 having a peak wavelength of 520 nm is emitted from the second well layer W2.
  • 2 light L2 may be emitted
  • the third light L3 having a peak wavelength of 480 nm may be emitted from the third well layer W3.
  • the peak wavelength of the first light L1 emitted from the first well layer W1 is the peak wavelength of the second light L2 emitted from the second well layer W2 and the third well layer W3. It may be in the middle of the peak wavelength of the third light (L3) emitted from.
  • the energy band gap of the third well layer W3 (or the energy level of the conduction band Ec) may be larger than the energy band gap of the second well layer W2. have.
  • the active layer 224 is formed to have the form of an energy level as shown in FIG. 6C.
  • the wavelength of the first light L1 emitted from the first well layer W1 as shown in FIG. 6A is not desired. Is lower than the wavelength of the second and third lights L2 and L3. Therefore, holes can be smoothly passed from the electron blocking layer 230 toward the first well layer W1.
  • the doping concentration and the doping efficiency of doping the electron blocking layer 230 with the second conductivity type dopant, for example, Mg should be high.
  • the doping concentration of the electron blocking layer (EBL) 230 may be 1 ⁇ E17 atoms / cm 3 to 1 ⁇ E22 atoms / cm 3, but embodiments are not limited thereto.
  • the three first, second and third lights L1, L2, and L3 having different peak wavelengths have the first, second and third well layers W1 and W2. , W3)
  • the second half width wh2 of the light emitted from the active layer 224 may be 50 nm or more.
  • FIG. 6C when the first to third lights L1, L2, and L3 are emitted from the first to third well layers W1, W2, and W3, respectively, as shown in FIG. 7.
  • Light LT as may be emitted from the active layer 224.
  • the energy band gap of the first well layer W1 is not the lowest among the first to third well layers W1, W2, and W3 shown in FIGS. 6A to 6C, that is, the depth of the first well layer W1. Is not the deepest. Because, when the energy band gap of the first well layer W1 is the lowest, holes are difficult to cross into the second and third well layers W2 and W3, so that most of the light is emitted from the first well layer W1.
  • the upper intensity portion UP of the light irradiated toward the human body U may be difficult to have a flat shape.
  • the second or third well layers W2 and W3 may have the smallest energy bandgap instead of the first well layer W1 among the first to third well layers W1, W2, and W3.
  • the wavelength of the first light L1 may be adjusted.
  • the energy band gap of the second well layer W2 is minimized and the third well is shown.
  • the energy band gap of the layer W3 can be made largest.
  • the upper intensity portion (UP) ) Can have a flat shape.
  • the energy band gap of the second well layer W2 is changed to the third well layer ( It may be larger than the energy band gap of W3), or the thickness or thickness of the energy band gap of the barrier layers B1 to B3 may be reduced.
  • the energy band gap of the barrier layers B1 to B3 may be reduced by increasing the composition of In.
  • the first to third well layers W1, W2, and W3 have various levels of energy conduction bands Ec.
  • the embodiment is not limited thereto. That is, a plurality of lights having different wavelengths can be generated in various ways.
  • the composition of In may be changed or the thicknesses t1 and t2 of the first to third well layers W1, W2, and W3 may be changed.
  • t3 may be adjusted so that a plurality of lights having different wavelengths are emitted from the active layer 224.
  • the lower limit wavelength WL of the half width of the light emitted from the light irradiation parts 120, 120A, 120B is smaller than 500 nm
  • the upper limit wavelength WH of the half width of the light emitted from the light irradiation parts 120, 120A, 120B is 520. May be greater than nm.
  • the lower limit wavelength WL of the half width wh2 is approximately 465 nm, which is smaller than 500 nm
  • the upper limit wavelength WH of the half width wh2 is approximately 525 nm, which is larger than 520 nm.
  • the lower limit wavelength WL of the half width wh2 is approximately 473 nm, which is smaller than 500 nm
  • the upper limit wavelength WH of the half width wh2 is 526 nm, which is larger than 520 nm.
  • the wavelength range of the full width at half maximum of the light emitted from the light irradiation unit 120, 120A, 120B may be determined to include a wavelength of 520nm.
  • the wavelength range of the full width at half maximum of the light wh2 is 465 nm to 525 nm, and the wavelength of 520 nm is included within this range.
  • the wavelength range of the full width at half maximum of the light wh2 is 473 nm to 526 nm, and a wavelength of 520 nm is included within this range.
  • the intensity of the green light within the half width of the light emitted from the light irradiation unit 120, 120A, 120B may have a form in which the valley and the floor repeat.
  • the intensity of light in the half width wh2 may have a form in which valleys V1 and peaks P1 and P2 are repeated.
  • the intensity of light in the half width wh2 may have a shape in which the valleys V2 and V3 and the floors P3, P4, and P5 are repeated.
  • the minimum value of the valley may be at least 80% of the maximum value of the floor.
  • the minimum value of the valley V1 is 80% or more of the maximum value P2 of the floors P1 and P2. 7
  • the minimum value V3 of the valleys V2 and V3 is 80% or more of the maximum value P3 or P5 of the floors P3, P4 and P5.
  • the difference in strength between the valley and the floor may be within 10%.
  • the difference between the intensity of the valley V1 and the intensity of the ridges P1 and P2 may be within 10% of the maximum value (100%) of the light intensity. In this manner, the smaller the deviation of the upper intensity level in the half width wh2, the flatter the shape of light intensity can be.
  • the light receiving unit 130 serves to receive light reflected or transmitted from the human body (U) after being irradiated from the light irradiation unit (120, 120A, 120B). That is, the light receiver 130 may be implemented by a kind of photo diode.
  • the controller 140 calculates the user's biometric data using the light received by the light receiver 130, and outputs the calculated biometric data.
  • the biometric data may be, for example, a heart rate (or pulse rate) of the user, but embodiments are not limited thereto.
  • FIG. 8 is a block diagram according to an embodiment 140A of the controller 140 shown in FIG. 2, and may include a noise canceller 142, an amplifier 144, and a data calculator 146.
  • the noise removing unit 142 cuts a wavelength band which is reflected or transmitted by the human body U and is sensitively changed in the light received through the input terminal IN as measurement data, and removes noise of the truncated data. , And outputs the result of removing the noise to the amplifier 144.
  • the received light entering the noise removing unit 142 may be a kind of photo-plethysmography (PPG) signal.
  • PPG photo-plethysmography
  • the pressure generated by the heartbeat causes blood flow in the blood vessels, and whenever this heartbeat occurs, the pressure acts on the terminal capillaries of the body, such as the fingers, toes, and earlobe.
  • Arterial blood from the terminal capillaries of the body supplies blood to the tissue and returns back to the heart through veins. Therefore, every time a heartbeat occurs, arterial blood volume increases and decreases in blood vessels at the distal ends of the body.
  • the absorption of light occurs in the blood, bone, tissue and some light is transmitted through or reflected from the human body (U)
  • the light receiving unit 130 is reached.
  • the light detected by the light receiver 130 is received by being subtracted by the amount of light absorbed by the human body U. Accordingly, the change in the amount of light received by the light receiver 130 reflects the change in blood flow.
  • a change in blood flow rate synchronized with the heartbeat may be detected. That is, the optical signal received from the light receiver 130 is a change in blood flow according to the heartbeat and may be referred to as 'pulse wave'.
  • the above-described embodiment of extracting the biometric data using the light received by the light receiving unit 130 may include electroencephalography (EGG), electrocardiography (ECG), electromyography (EMG), photoplethysmography (PPG), respiration, and electrorooculography (EOG). It can be applied to various fields.
  • the PPG signal may be activated in a predetermined frequency band, for example, a frequency band of 0.04 kHz to 0.4 kHz.
  • a low pass filter or a band pass filter may be used as the noise removing unit 142.
  • the noise removing unit 142 removes noise of various frequency bands, such as noise generated by noise of an electrical signal, noise caused by a biopotential generated in the human body U, and noise caused by a user's movement.
  • the embodiment is not limited to the type of noise removed by the noise removing unit 142.
  • the amplifier 144 amplifies the result from which the noise is removed from the noise remover 142, and outputs the amplified result to the data calculator 146.
  • the signal level of the resulting noise removal may be weak.
  • the amplifier 144 amplifies the weak signal level. Therefore, the amplifier 144 may be omitted if the signal level resulting from the noise removal is not weak.
  • the data calculator 146 may calculate the biometric data of the user using the result amplified by the amplifier 144 and output the calculated biometric data through the output terminal OUT.
  • the controller 140 may control light emission of the light irradiation units 120, 120A, and 120B and light reception of the light receiving unit 130. That is, the light emitters 120, 120A, and 120B may emit light under the control of the controller 140. In addition, under the control of the controller 140, the light receiver 130 may receive the light reflected from the human body U.
  • the notification unit 150 may notify the user of at least one method of visual or auditory biometric data calculated by the controller 140.
  • the biometric data calculated by the controller 140 may be provided not only to the user but also to a medical team located at a remote location.
  • the notification unit 150 may include a communication unit (not shown) for transmitting the biometric data that is enshrined to the medical staff located at a long distance.
  • the housing 110 may have a form that can be worn on a user's wrist and the like, and may accommodate the light emitters 120, 120A, and 120B and the light receiver 130 disposed adjacent to each other. have.
  • the housing 110 may be a kind of belt, but the embodiment is not limited to a particular form of the housing 110.
  • the light irradiation units 120, 120A, and 120B and the light receiving unit 130 are arranged side by side on the same surface U1 of the human body U. This is for the light receiving unit 130 to receive the light reflected from the human body U.
  • the light receiving unit 130 when the light receiving unit 130 receives the light transmitted through the human body (U), the light irradiation unit (120, 120A, 120B) is disposed on the first surface (U1) of the human body (U)
  • the light receiving unit 130 may be disposed on the second surface U2 opposite to the first surface U1.
  • the housing 110 may have a shape suitable for accommodating both the light irradiation units 120, 120A, and 120B and the light receiving unit 130 disposed on the first and second surfaces U1 and U2, respectively.
  • Biometric data of the human body U for example, when light is injected into the human body U to measure the heart rate, and the heart rate is measured using light reflected from the human body U or light passing through the human body U.
  • the sensitivity of the light injected into the human body U may vary.
  • FIGS 9A and 9B are graphs showing AC / DC ratios of parts of the human body as a function of intensity.
  • AC / DC ratio shows the ratio of the alternating current component (AC) with respect to the direct current component (DC) of the intensity of light.
  • the AC / DC ratio of the green light is relatively high when the light is radiated to the wrist.
  • the AC / DC ratio of the blue light appears relatively high. This is because a skin depth for measuring blood flow changes varies according to a measurement site of the human body.
  • the biometric data measuring apparatus 100 measures biometric data using green light having a wide half-value width of 50 nm or more. Since green light has a wide wavelength band, biometric data can be accurately calculated without being greatly influenced by race, sex, age, weight, or skin tissue.
  • the apparatus for measuring biometric data may be applied to various fields such as electroencephalography (EGG), electrorocardiography (ECG), electrochromyography (EMG), photoplethysmography (PPG), respiration, and electrorooculography (EOG).
  • ECG electroencephalography
  • ECG electrorocardiography
  • EMG electrochromyography
  • PPG photoplethysmography
  • respiration and electrorooculography

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Abstract

실시 예의 생체 데이터 측정 장치는, 사용자의 인체에 50 ㎚ 이상의 반치폭을 갖는 그린 광을 조사하는 광 조사부와, 광 조사부로부터 조사된 후 인체에서 반사 또는 인체에서 투과된 광을 수광하는 수광부와, 수광된 광을 이용하여 사용자의 생체 데이터를 계산하는 제어부를 포함한다.

Description

생체 데이터 측정 장치
실시 예는 생체 데이터 측정 장치에 관한 것이다.
최근 생활 수준의 향상과 의료기술의 발전에 따라 전 세계적으로 고령화의 추세가 두드러지고 있다. 이와 같은 인구 고령화와 동반하여 만성 질환 발병률이 증가하고 있고, 고령 사회의 또 다른 문제점으로, 핵가족화에 따른 가족 부양 능력 감퇴로 인한 독거 노인의 증가와 고독사가 중요한 사회적 이슈(issue)로 대두되고 있다.
고혈압, 당뇨병, 뇌혈관질환, 심장질환 등의 만성 질환자는 지속적으로 증가하고 있다. 그 원인으로는 특히 건강과 관련된 식이, 운동 등 개인이나 집단의 건강 행태에 의한 질병 발생이 거의 절반 이상을 차지한다. 따라서 현대 의학의 생물의학적 모델에 의한 접근만으로는 이러한 만성 질환을 해결하기 어려우며 새로운 질병 관리 방법, 즉 생활 습관 개선을 통한 건강 위험 인자 제거라는 건강 증진적 접근이 요구된다.
독거 노인 케어(care)는 활동량 감지 센서나 방문 간호를 통해 수동적으로 이루어지고 있다. 최근에는 심박 등의 생체 신호를 측정하여 독거 노인의 건강 관리 및 고독사를 예방하는 능동적 케어 방법이 등장하였다.
그리고 만성 질환의 예방 또는 대체 요법으로 걷기 등의 개인 수준의 운동 요법이 성황리에 이루어지고 있다. 이러한 운동 요법에 있어서 일반적으로 보수계나 운동 칼로리계를 휴대하여 운동량의 목표를 체크(check)하지만, 최근에는 운동 시의 심박수 등을 실시간으로 계측하여 운동자의 심박 부담을 추정하는 방법도 제안되고 있다.
심박수 계측 방법에는 크게 피에조(piezo) 소자 등을 이용하는 압전식, 자기 접합 터널(MTJ: Magnetic Tunnel Junction) 소자를 이용하는 자기식, 필름형 압박센서를 이용하는 압박식, 생체 전기 임피던스를 이용하는 임피던스식, 광 센서를 이용하는 광학식 등이 있으며, 최근에는 손목이나 목에 착용이 가능한 손목시계형 심박 측정 장치가 제안되고 있다.
기존의 심박 측정 장치의 경우 광을 인체의 혈관에 조사하고, 인체를 투과하거나 반사되어 수신된 광을 이용하여 심박을 측정하고 있다. 그러나, 기존의 심박 측정 장치의 경우, 조사되는 광의 인체에 침투율과 수광율은 인종별, 성별, 나이별, 체중별 또는 피부 조직별로 달라지므로 정확한 심박수를 측정하기 어려울 수 있다.
실시 예는 인종, 성별, 나이, 체중 또는 피부 조직 등에 크게 영향을 받지 않고 정확한 생체 데이터를 산출할 수 있는 생체 데이터 측정 장치를 제공한다.
실시 예에 의한 생체 데이터 측정 장치는, 사용자의 인체에 50 ㎚ 이상의 반치폭을 갖는 그린 광을 조사하는 광 조사부; 상기 광 조사부로부터 조사된 후 상기 인체에서 반사 또는 상기 인체에서 투과된 광을 수광하는 수광부; 및 상기 수광된 광을 이용하여 상기 사용자의 생체 데이터를 계산하는 제어부를 포함할 수 있다.
예를 들어, 상기 반치폭의 하한 파장은 500㎚보다 작고, 상기 반치폭의 상한 파장은 520㎚보다 클 수 있다.
예를 들어, 상기 반치폭의 파장 범위는 520㎚의 파장을 포함할 수 있다.
예를 들어, 상기 반치폭 내에서 상기 그린 광의 세기는 골과 마루가 반복되는 형태를 갖고, 상기 골의 최소값은 상기 마루의 최대값의 80% 이상일 수 있다.
예를 들어, 상기 광 조사부는 기판; 및 상기 기판 위에 순차적으로 배치된 제1 도전형 반도체층, 활성층 및 제2 도전형 반도체층을 포함하는 발광 구조물을 포함하고, 상기 활성층은 서로 교호적으로 배치된 복수의 우물층 및 복수의 장벽층을 포함하고, 상기 복수의 우물층 중 적어도 2개의 우물층에서 각각 방출되는 적어도 2개의 광의 파장은 서로 다를 수 있다.
예를 들어, 상기 적어도 2개의 우물층은 적어도 3개의 우물층을 포함하고, 상기 적어도 3개의 우물층은 서로 다른 파장을 갖는 적어도 3개의 광을 방출할 수 있다.
예를 들어, 상기 적어도 3개의 광은 제1 내지 제3 광을 포함하고, 상기 제1 내지 제3 광 중 어느 하나의 피크 파장의 범위는 480 ㎚를 포함하고, 상기 제1 내지 제3 광 중 다른 하나의 피크 파장의 범위는 520 ㎚를 포함하고, 상기 제1 내지 제3 광 중 나머지 하나의 피크 파장의 범위는 500 ㎚를 포함할 수 있다.
예를 들어, 상기 광 조사부는 상기 활성층과 상기 제2 도전형 반도체층 사이에 배치된 전자 차단층을 더 포함할 수 있다.
예를 들어, 상기 적어도 2개의 우물층은 상기 전자 차단층과 상기 제1 도전형 반도체층 사이에 배치된 제1 우물층; 상기 제1 우물층과 상기 제1 도전형 반도체층 사이에 배치된 제2 우물층; 및 상기 제2 우물층과 상기 제1 도전형 반도체층 사이에 배치된 제3 우물층을 포함하고, 상기 제1 내지 제3 우물층 중에서 상기 제2 또는 제3 우물층이 가장 작은 에너지 밴드갭을 가질 수 있다.
예를 들어, 상기 제1 우물층에서 방출되는 제1 광의 피크 파장은 상기 제2 우물층에서 방출되는 제2 광의 피크 파장과 상기 제3 우물층에서 방출되는 제3 광의 피크 파장 사이에 존재할 수 있다.
예를 들어, 상기 제1 우물층에서 방출되는 제1 광의 파장은 상기 제2 우물층에서 방출되는 제2 광의 파장과 상기 제3 우물층에서 방출되는 제3 광의 파장보다 낮을 수 있다.
예를 들어, 상기 제2 우물층의 에너지 밴드갭은 상기 제3 우물층의 에너지 밴드갭보다 클 수 있다.
예를 들어, 상기 제1 내지 제3 우물층 중에서, 상기 제2 우물층의 에너지 밴드갭이 가장 작고 상기 제3 우물층의 에너지 밴드갭이 가장 클 수 있다.
예를 들어, 상기 제3 우물층의 에너지 밴드갭은 상기 제2 우물층의 에너지 밴드갭보다 클 수 있다.
예를 들어, 상기 전자 차단층의 도핑 농도는 1 x E17 원자수/㎤ 내지 1 x E22 원자수/㎤일 수 있다.
예를 들어, 상기 생체 데이터 측정 장치는 상기 사용자의 손목에 착용 가능하며, 상기 광 조사부 및 상기 수광부가 서로 인접하여 배치된 하우징을 더 포함할 수 있다.
예를 들어, 상기 제어부는 상기 수광된 광을 이용하여 상기 사용자의 심박수를 산출할 수 있다.
예를 들어, 상기 광 조사부는 50 ㎚보다 적은 반치폭을 갖는 광을 방출하는 광원; 및 상기 광원으로부터 방출되는 상기 광의 반치폭을 50 ㎚ 이상으로 변환한 후 상기 그린 광으로서 상기 인체로 조사하는 광 변환부를 포함할 수 있다.
예를 들어, 상기 광 변환부는 상기 광원으로부터 방출되는 광의 반치폭의 하한 파장과 상한 파장을 변환하여, 50 ㎚이상의 반치폭을 갖는 상기 그린 광을 생성하고, 상기 상한 파장보다 상기 하한 파장을 상대적으로 더 많이 변환할 수 있다.
예를 들어, 상기 광원과 상기 광 변환부는 일체형일 수 있다.
실시 예에 따른 생체 데이터 측정 장치는 넓은 반치폭을 갖는 그린 광을 이용하여 생체 데이터 예를 들어 심박수를 측정할 수 있으므로, 인종, 성별, 나이, 체중 또는 피부 조직에 크게 영향을 받지 않고 생체 데이터인 심박수를 정확하게 산출할 수 있다.
도 1은 실시 예에 의한 생체 데이터 측정 장치가 사용자의 인체에 결합된 단면을 개략적으로 나타낸다.
도 2는 일 실시 예에 의한 생체 데이터 측정 장치의 블럭도를 나타낸다.
도 3a 및 도 3b는 제1 반치폭을 갖는 광과 제2 반치폭을 갖는 광을 설명하기 위한 그래프이다.
도 4는 도 1에 도시된 광 조사부의 다른 실시 예에 의한 단면도를 나타낸다.
도 5는 도 4에 도시된 활성층을 확대 도시한 단면도를 나타낸다.
도 6a 내지 도 6c는 도 5에 도시된 활성층의 실시 예에 의한 에너지 밴드 다이어그램을 나타낸다.
도 7은 도 6c에 도시된 바와 같은 형상의 전도 대역을 갖는 활성층으로부터 방출되는 광의 파장별 세기를 나타내는 그래프이다.
도 8은 도 2에 도시된 제어부의 일 실시 예에 의한 블럭도를 나타낸다.
도 9a 및 도 9b는 인체의 부위별 AC/DC 비율을 강도의 함수로서 보여주는 그래프이다.
이하, 본 발명을 구체적으로 설명하기 위해 실시 예를 들어 설명하고, 발명에 대한 이해를 돕기 위해 첨부도면을 참조하여 상세하게 설명하기로 한다. 그러나, 본 발명에 따른 실시 예들은 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래에서 상술하는 실시 예들에 한정되는 것으로 해석되지 않아야 한다. 본 발명의 실시 예들은 당 업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다.
본 발명에 따른 실시 예의 설명에 있어서, 각 element의 " 상(위)" 또는 "하(아래)(on or under)"에 형성되는 것으로 기재되는 경우에 있어, 상(위) 또는 하(아래)(on or under)는 두개의 element가 서로 직접(directly)접촉되거나 하나 이상의 다른 element가 상기 두 element사이에 배치되어(indirectly) 형성되는 것을 모두 포함한다. 또한 “상(위)" 또는 "하(아래)(on or under)”로 표현되는 경우 하나의 element를 기준으로 위쪽 방향뿐만 아니라 아래쪽 방향의 의미도 포함할 수 있다.
또한, 이하에서 이용되는 "제1" 및 "제2," "상/상부/위" 및 "하/하부/아래" 등과 같은 관계적 용어들은, 그런 실체 또는 요소들 간의 어떠한 물리적 또는 논리적 관계 또는 순서를 반드시 요구하거나 내포하지는 않으면서, 어느 한 실체 또는 요소를 다른 실체 또는 요소와 구별하기 위해서 이용될 수도 있다.
도 1은 실시 예에 의한 생체 데이터 측정 장치(100)가 사용자의 인체(U)에 결합된 단면을 개략적으로 나타내고, 도 2는 일 실시 예에 의한 생체 데이터 측정 장치(100)의 블럭도를 나타낸다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 실시 예에 의한 생체 데이터 측정 장치(100)는 하우징(housing)(110), 광 조사부(120: 120A), 수광부(130), 제어부(140) 및 알림부(150)를 포함할 수 있다. 설명의 편의상, 도 1에서 제어부(140) 및 알림부(150)의 도시는 생략되었으며, 도 2에서 하우징(110)의 도시는 생략되었다.
광 조사부(120)는 사용자의 인체(U)에 50 ㎚ 이상의 반치폭(FWHM:Full Width at Half Maximum)을 갖는 그린(green) 광을 조사하는 역할을 한다.
도 3a 및 도 3b는 제1 반치폭(wh1)을 갖는 광과 제2 반치폭(wh2)을 갖는 광을 설명하기 위한 그래프로서, 각 그래프에서 횡축은 파장을 나타내고 종축은 광의 세기 즉, 강도(intensity)를 나타낸다. 특히, 도 3b는 빛의 세기 즉, 강도를 백분률화하여 나타낸 그래프이다.
일 실시 예에 의하면, 도 1에 도시된 광 조사부(120)는 도 2에 도시된 바와 같이 구현될 수 있다. 즉, 도 2에 도시된 광 조사부(120A)는 도 1에 도시된 광 조사부(120)의 실시 예에 해당한다. 도 2에 도시된 광 조사부(120A)는 광원(122) 및 광 변환부(124)를 포함할 수 있다.
광원(122)은 50 ㎚보다 적은 제1 반치폭(wh1)을 갖는 광을 방출하는 역할을 한다. 예를 들어, 도 3a에 도시된 바와 같이 50 ㎚보다 작은 28 ㎚이하의 제1 반치폭(wh1)을 갖는 광이 광원(122)으로부터 방출될 수 있다.
광원(122)은 발광 다이오드 칩(LED chip)일 수 있으며, 실시 예는 광원(122)의 특정한 형태에 국한되지 않는다. 발광 다이오드 칩은 블루 LED 칩 또는 자외선 LED 칩으로 구성되거나 또는 레드 LED 칩, 그린 LED 칩, 블루 LED 칩, 엘로우 그린(Yellow green) LED 칩, 화이트 LED 칩 중에서 적어도 하나 또는 그 이상을 조합한 패키지 형태로 구성될 수도 있다.
그리고, 화이트 LED는 블루 LED 상에 옐로우 인광(Yellow phosphor)을 결합하거나, 블루 LED 상에 레드 인광(Red phosphor)과 그린 인광(Green phosphor)를 동시에 사용하여 구현할 수 있다.
광 변환부(124)는 광원(122)으로부터 방출되는 광의 제1 반치폭(wh1)을 50 ㎚ 이상의 제2 반치폭(wh2)으로 변환한 후, 50 ㎚ 이상의 반치폭을 갖는 광을 그린 광으로서 인체(U)로 조사한다. 예를 들어, 제2 반치폭(wh2)은 도 3b에 도시된 바와 같이 50 ㎚ 이상일 수 있다.
즉, 도 3a 및 도 3b를 참조하면, 광 변환부(124)는 광의 제1 반치폭(wh1)을 제2 반치폭(wh2)으로 변환하기 위해 제1 반치폭(wh1)의 하한 파장(WL) 및 상한 파장(WH)을 조정하였다. 특히, 광 변환부(124)는 상한 파장(WH)보다 하한 파장(WL)을 상대적으로 더 많이 조정하지만, 실시 예는 이에 국한되지 않는다.
도 4는 도 1에 도시된 광 조사부(120)의 다른 실시 예(120B)에 의한 단면도를 나타낸다.
다른 실시 예에 의하면, 광 조사부(120B)는 50 ㎚ 이상의 제2 반치폭(wh2)을 갖는 광을 방출하여 그린 광으로서 인체로 조사할 수 있다. 이를 위해, 광 조사부(120B)는 도 4에 도시된 바와 같은 발광 소자를 포함할 수 있다. 즉, 발광 소자 자체에서 50 ㎚ 이상의 제2 반치폭(wh2)을 갖는 그린 광을 방출할 수 있다. 즉, 도 4에 도시된 광 조사부(120B)는 도 2에 도시된 광원(122) 및 광 변환부(124)가 일체화된 경우에 해당한다.
도 4에 도시된 광 조사부(120B)는 수평형 본딩 구조를 갖는 발광 소자인 것으로 도시되어 있지만, 실시 예는 발광 소자의 특정한 본딩 형태에 국한되지 않는다. 즉, 다른 실시 예에 의하면, 광 조사부(120B)를 구현하는 발광 소자는 수직형 본딩 구조 또는 플립칩형 본딩 구조를 가질 수도 있다.
도 4에 도시된 광 조사부(120B)는 기판(210), 발광 구조물(220), 제1 및 제2 전극(242, 224)을 포함할 수 있다.
기판(210)은 도전형 물질 또는 비도전형 물질을 포함할 수 있다. 예를 들어, 기판(210)은 사파이어(Al203), GaN, SiC, ZnO, GaP, InP, Ga203, GaAs 및 Si 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
예를 들어, 기판(210)이 실리콘 기판일 경우, (111) 결정면을 주면으로서 가질 수 있다. 실리콘 기판일 경우, 대구경이 용이하며 열전도도가 우수하지만, 실리콘과 질화물계 발광 구조물(220) 간의 열 팽창 계수의 차이 및 격자 부정합에 의해 발광 구조물(220)에 크랙(crack)이 발생하는 등의 문제점이 발생할 수도 있다. 이를 방지하기 위해, 기판(210)과 발광 구조물(220)의 사이에 버퍼층(또는, 전이층)(미도시)이 배치될 수 있다. 버퍼층은 예를 들어 Al, In, N 및 Ga로 구성되는 군으로부터 선택되는 적어도 하나의 물질을 포함할 수 있으나, 이에 국한되지 않는다. 또한, 버퍼층은 단층 또는 다층 구조를 가질 수도 있다.
발광 구조물(220)은 기판(210) 위에 배치된다. 발광 구조물(220)은 기판(210) 위에 순차적으로 배치된 제1 도전형 반도체층(222), 활성층(224) 및 제2 도전형 반도체층(226)을 포함할 수 있다.
제1 도전형 반도체층(222)은 기판(210) 위에 배치된다. 제1 도전형 반도체층(222)은 제1 도전형 도펀트가 도핑된 Ⅲ-Ⅴ 족 또는 Ⅱ-Ⅵ 족 등의 화합물 반도체로 구현될 수 있으며, 제1 도전형 도펀트가 도핑될 수 있다. 제1 도전형 반도체층(222)이 n형 반도체층인 경우, 제1 도전형 도펀트는 n형 도펀트로서, Si, Ge, Sn, Se, Te를 포함할 수 있으나 이에 한정되지 않는다.
예를 들어, 제1 도전형 반도체층(222)은 AlxInyGa(1-x-y)N (0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤x+y≤1)의 조성식을 갖는 반도체 물질을 포함할 수 있다. 제1 도전형 반도체층(222)은 GaN, InN, AlN, InGaN, AlGaN, InAlGaN, AlInN, AlGaAs, InGaAs, AlInGaAs, GaP, AlGaP, InGaP, AlInGaP, InP 중 어느 하나 이상을 포함할 수 있다.
활성층(224)은 제1 도전형 반도체층(222)과 제2 도전형 반도체층(226) 사이에 배치될 수 있다. 활성층(224)은 제1 도전형 반도체층(222)을 통해서 주입되는 전자(또는, 정공)와 제2 도전형 반도체층(226)을 통해서 주입되는 정공(또는, 전자)이 서로 만나서, 활성층(224)을 이루는 물질 고유의 에너지 밴드에 의해서 결정되는 에너지를 갖는 빛을 방출하는 층이다.
활성층(224)은 단일 우물 구조, 다중 우물 구조, 단일 양자 우물 구조, 다중 양자 우물 구조(MQW: Multi Quantum Well), 양자 선(Quantum-Wire) 구조, 또는 양자 점(Quantum Dot) 구조 중 적어도 어느 하나로 형성될 수 있다.
활성층(224)의 우물층/장벽층은 InGaN/GaN, InGaN/InGaN, GaN/AlGaN, InAlGaN/GaN, GaAs(InGaAs)/AlGaAs, GaP(InGaP)/AlGaP 중 어느 하나 이상의 페어 구조로 형성될 수 있으나 이에 한정되지 않는다. 우물층은 장벽층의 밴드갭 에너지보다 낮은 밴드갭 에너지를 갖는 물질로 형성될 수 있다. 즉, 활성층(224)은 서로 교호적으로 배치된 복수의 우물층 및 복수의 장벽층을 포함할 수 있다.
활성층(224)의 위 또는/및 아래에는 도전형 클래드층(미도시)이 형성될 수 있다. 도전형 클래드층은 활성층(224)의 장벽층의 밴드갭 에너지보다 더 높은 밴드갭 에너지를 갖는 반도체로 형성될 수 있다. 예를 들어, 도전형 클래드층은 GaN, AlGaN, InAlGaN 또는 초격자 구조 등을 포함할 수 있다. 또한, 도전형 클래드층은 n형 또는 p형으로 도핑될 수 있다.
제2 도전형 반도체층(226)은 활성층(224) 위에 배치될 수 있다. 제2 도전형 반도체층(226)은 반도체 화합물로 형성될 수 있으며, Ⅲ-Ⅴ 족 또는 Ⅱ-Ⅵ 족 등의 화합물 반도체로 구현될 수 있다. 예컨대, 제2 도전형 반도체층(226)은 InxAlyGa1-x-yN (0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤x+y≤1)의 조성식을 갖는 반도체 물질을 포함할 수 있다. 제2 도전형 반도체층(226)에는 제2 도전형 도펀트가 도핑될 수 있다. 제2 도전형 반도체층(226)이 p형 반도체층인 경우, 제2 도전형 도펀트는 p형 도펀트로서, Mg, Zn, Ca, Sr, Ba 등을 포함할 수 있다.
제1 도전형 반도체층(222)은 p형 반도체층으로, 제2 도전형 반도체층(226)은 n형 반도체층으로 구현할 수 있다. 또는, 제1 도전형 반도체층(222)은 n형 반도체층으로, 제2 도전형 반도체층(226)은 p형 반도체층으로 구현할 수도 있다.
발광 구조물(220)은 n-p 접합 구조, p-n 접합 구조, n-p-n 접합 구조, p-n-p 접합 구조 중 어느 한 구조로 구현할 수 있다.
또한, 광 조사부(120B)는 전자 차단층(EBL:Electron Blocking Layer)(230)을 더 포함할 수 있다. 전자 차단층(230)은 활성층(224)과 제2 도전형 반도체층(226) 사이에 배치될 수 있다. 전자 차단층(230)은 제2 도전형 반도체층(226)보다 더 큰 에너지 밴드 갭을 갖고 있으므로, 제1 도전형 반도체층(222)으로부터 제공되는 전자가 활성층(224)에서 재결합되지 않고 제2 도전형 반도체층(226)으로 오버플로우되는 것을 효과적으로 방지할 수 있다. 따라서, 전자 차단층(230)은 오버플로잉으로 인해 소모되는 전자를 감소시킴으로써 광 조사부(120B)의 광효율을 향상시킬 수 있다.
전자 차단 효과를 얻기 위해서는 전자 차단층(230)은 큰 에너지 밴드갭과 적절한 두께를 가져야 한다. 이러한 전자 차단층(230)으로는 제2 도전형 AlGaN 또는 InAlGaN 층이 주로 사용될 수 있으나, 실시 예는 이에 국한되지 않는다.
경우에 따라 전자 차단층(230)은 생략될 수도 있다.
한편, 제2 도전형 반도체층(226), 활성층(224) 및 제1 도전형 반도체층(222)의 일부를 메사 식각하여 노출된 제1 도전형 반도체층(222) 위에 제1 전극(242)이 배치될 수 있다. 제2 전극(224)은 제2 도전형 반도체층(226) 위에 배치될 수 있다. 제1 및 제2 전극(242, 244) 각각은 예를 들어, 알루미늄(Al), 티타늄(Ti), 크롬(Cr), 니켈(Ni), 구리(Cu), 금(Au) 중 적어도 하나를 포함하여 단층 또는 다층 구조로 형성될 수 있다.
이하, 제2 반치폭(wh2)을 갖는 광을 방출하는 도 4에 도시된 광 조사부(120B)의 활성층(224)에 대해 다음과 같이 설명한다.
도 5는 도 4에 도시된 활성층(224)을 확대 도시한 단면도를 나타낸다.
도 5를 참조하면, 활성층(224)은 서로 교호적으로 배치된 장벽층(B1, B2, B3, B4, ..) 및 우물층(W1, W2, W3, ...)을 포함함을 알 수 있다.
제1 우물층은 전자 차단층(EBL)(230)과 제1 도전형 반도체층(222) 사이에 배치되고, 제2 우물층은 제1 우물층과 제1 도전형 반도체층(222) 사이에 배치되고, 제3 우물층은 제2 우물층과 제1 도전형 반도체층(222) 사이에 배치된다. 즉, 제1, 제2 및 제3 우물층의 순서로 전자 차단층(EBL)(230)으로부터 멀어지는 방향으로 배치된다. 이하, 설명의 편의상, 제1, 제2 및 제3 우물층은 도 5에 도시된 W1, W2 및 W3에 각각 해당하는 것으로 설명하지만, 실시 예는 이에 국한되지 않는다. 즉, 제1 우물층은 W1이고, 제2 우물층은 W2 내지 W6 중 어느 하나일 수 이고 제3 우물층은 W3 내지 W6 중에서 제2 우물층이 아닌 층으로서 제2 우물층보다 전자 차단층(EBL)(230)으로부터 멀리 배치되는 층일 수 있다.
제1 장벽층(B1)은 전자 차단층(EBL)(230)과 제1 우물층(W1) 사이에 배치되고, 제2 장벽층(B2)은 제1 우물층(W1)과 제2 우물층(W2) 사이에 배치되고, 제3 장벽층(B3)은 제2 우물층(W2)과 제3 우물층(W3) 사이에 배치되고, 제4 장벽층(B4)은 제3 우물층(W3)과 제4 우물층(W4) 사이에 배치될 수 있다.
이하, 광은 우물층(W1, W2, W3, ...)에서 방출되기 보다는 전도 대역의 제1 우물층(W1, W2, W3, ...)에 갇힌 캐리어가 에너지 밴드갭에서 정공과 재결합할 때 방출된다. 그러나, 설명의 편의상 이러한 현상을 "광이 우물층에서 방출되는 것"으로 표현하기로 한다.
실시 예에 의하면, 복수의 우물층(W1, W2, W3, ...) 중 적어도 2개의 우물층에서 각각 방출되는 적어도 2개의 광의 파장은 서로 다를 수 있다. 이로 인해, 활성층(224)에서 방출되는 광의 제2 반치폭(wh2)은 50 ㎚ 이상이 될 수 있다.
도 6a 내지 도 6c는 도 5에 도시된 활성층(224)의 실시 예에 의한 에너지 밴드를 나타낸다. 여기서, Ec는 전도 대역을 나타내며, 비록 도시되지는 않았지만, 전도 대역(Ec)의 아래에 동일한 형상의 가전자 대역(valence band)(Ev)이 배치된다. 통상적으로 전도 대역(Ec)과 가전자 대역(Ev) 간의 레벨차를 "밴드갭 에너지"라 칭한다.
도 6a 내지 도 6c를 참조하면, 복수의 우물층(W1, W2, W3, ..) 중 제1, 제2 및 제3 우물층(W1, W2, W3)에서 각각 방출되는 제1 내지 제3 광(L1, L2, L3)의 파장은 서로 다를 수 있다.
실시 예에 의하면, 제1 내지 제3 광(L1, L2, L3) 중 어느 하나의 피크 파장의 범위는 480 ㎚를 포함하고, 제1 내지 제3 광(L1, L2, L3) 중 다른 하나의 피크 파장의 범위는 520 ㎚를 포함하고, 제1 내지 제3 광(L1, L2, L3) 중 나머지 하나의 피크 파장의 범위는 500 ㎚를 포함할 수 있다.
이와 같이, 제1 내지 제3 우물층(W1, W2, W3)에서 480 ㎚, 500 ㎚ 및 520 ㎚의 파장을 갖는 제1 내지 제3 광(L1, L2, L3)이 방출될 경우, 활성층(224)에서 방출되는 광의 제2 반치폭(wh2)은 50 ㎚ 이상이 될 수 있다.
먼저, 도 6a를 참조하면, 제1 우물층(W1)에서 480 ㎚의 피크 파장을 갖는 제1 광(L1)이 방출되고, 제2 우물층(W2)에서 500 ㎚의 피크 파장을 갖는 제2 광(L2)이 방출되고, 제3 우물층(W3)에서 520 ㎚의 피크 파장을 갖는 제3 광(L3)이 방출될 수 있다. 이와 같이, 제2 우물층(W2)의 에너지 밴드갭은 제3 우물층(W3)의 에너지 밴드갭보다 클 수 있다.
도 6b를 참조하면, 제1 우물층(W1)에서 480 ㎚의 피크 파장을 갖는 제1 광(L1)이 방출되고, 제2 우물층(W2)에서 520 ㎚의 피크 파장을 갖는 제2 광(L2)이 방출되고, 제3 우물층(W3)에서 500 ㎚의 피크 파장을 갖는 제3 광(L2)이 방출될 수 있다.
도 7은 도 6c에 도시된 바와 같은 형상의 전도 대역(Ec)을 갖는 활성층(224)으로부터 방출되는 광(LT)의 파장별 세기를 나타내는 그래프로서, 횡축은 파장을 나타내고, 종축은 세기를 나타낸다. 특히, 도 7은 빛의 세기 즉, 강도를 백분률화하여 나타낸 그래프이다.
도 6c 및 도 7을 참조하면, 제1 우물층(W1)에서 500 ㎚의 피크 파장을 갖는 제1 광(L1)이 방출되고, 제2 우물층(W2)에서 520 ㎚의 피크 파장을 갖는 제2 광(L2)이 방출되고, 제3 우물층(W3)에서 480 ㎚의 피크 파장을 갖는 제3 광(L3)이 방출될 수 있다. 이와 같이, 제1 우물층(W1)에서 방출되는 제1 광(L1)의 피크 파장은 제2 우물층(W2)에서 방출되는 제2 광(L2)의 피크 파장과 제3 우물층(W3)에서 방출되는 제3 광(L3)의 피크 파장의 중간일 수 있다.
또한, 도 6b 또는 도 6c에 도시된 바와 같이 제3 우물층(W3)의 에너지 밴드갭(또는, 전도 대역(Ec)의 에너지 레벨)은 제2 우물층(W2)의 에너지 밴드갭보다 클 수 있다.
만일, 전자 차단층(230)으로부터 제1 우물층(W1)이 위치한 방향으로 정공의 주입이 원할할 경우 도 6c에 도시된 바와 같이, 제1 우물층(W1)에서 방출되는 제1 광(L1)의 파장이 제2 광(L2)과 제3 광(L3)의 중간 정도인 것이 바람직하다. 따라서, 이 경우에는 도 6c에 도시된 바와 같은 에너지 레벨의 형태를 갖도록 활성층(224)을 형성한다.
그러나, 전자 차단층(230)으로부터 제1 우물층(W1) 쪽으로 정공의 주입이 원할하지 않을 경우 도 6a에 도시된 바와 같이 제1 우물층(W1)에서 방출되는 제1 광(L1)의 파장을 제2 및 제3 광(L2, L3)의 파장보다 낮게 한다. 따라서, 전자 차단층(230)으로부터 제1 우물층(W1) 쪽으로 정공이 원할히 넘어갈 수 있게 된다.
또한, 전자 차단층(230)으로부터 제1 우물층(W1) 쪽으로 정공의 원할한 주입을 위해, 전자 차단층(230)과 제1 우물층(W1) 사이에 배치된 제1 장벽층(B1)의 두께(t0)를 줄일 수도 있다.
또한, 전자 차단층(230)으로부터 정공의 주입이 원할해지도록 하기 위해서, 전자 차단층(230)을 제2 도전형 도펀츠 예를 들어 Mg로 도핑시키는 도핑 농도 및 도핑 효율이 높아야 한다. 예를 들어, 전자 차단층(EBL)(230)의 도핑 농도는 1 x E17 원자수/㎤ 내지 1 x E22 원자수/㎤일 수 있으나, 실시 예는 이에 국한되지 않는다.
도 6a 내지 도 6c에 도시된 바와 같이, 서로 다른 피크 파장을 갖는 3개의 제1, 제2 및 제3 광(L1, L2, L3)이 제1, 제2 및 제3 우물층(W1, W2, W3)에서 각각 방출될 경우 활성층(224)에서 방출되는 광의 제2 반치폭(wh2)은 50 ㎚ 이상이 될 수 있다. 예를 들어, 도 6c에 도시된 바와 같이 제1 내지 제3 광(L1, L2, L3)이 제1 내지 제3 우물층(W1, W2, W3)에서 각각 방출될 경우, 도 7에 도시된 바와 같은 광(LT)이 활성층(224)에서 방출될 수 있다.
도 6a 내지 도 6c에 도시된 제1 내지 제3 우물층(W1, W2, W3) 중에서 제1 우물층(W1)의 에너지 밴드갭이 가장 낮지 않다, 즉, 제1 우물층(W1)의 깊이가 가장 깊지 않다. 왜냐하면, 제1 우물층(W1)의 에너지 밴드갭이 가장 낮을 경우 정공이 제2 및 제3 우물층(W2, W3)으로 건너가기 어려워져서 대부분의 광이 제1 우물층(W1)에서 방출되어, 인체(U)를 향해 조사되는 광의 상측 세기 부분(UP)이 플랫(flat)한 형태를 갖기 어려울 수 있다. 즉, 제1 우물층(W1)의 에너지 밴드갭이 클수록(즉, 제1 우물층(W1)의 깊이가 얕을수록) 정공이 제1 우물층(W1)을 지나가 제2 또는 제3 우물층(W2, W3)으로 건너갈 확률이 높아질 수 있다. 따라서, 제1 내지 제3 우물층(W1, W2, W3) 중에서 제1 우물층(W1) 대신에 제2 또는 제3 우물층(W2, W3)이 가장 작은 에너지 밴드갭을 가질 수 있다. 도 7에 도시된 광(LT)에서 상측 세기 부분(UP)을 플랫하게 하기 위해, 제1 광(L1)의 파장을 조절할 수 있다.
또한, 전자 차단층(230)으로부터 제1 우물층(W1) 쪽으로 정공의 원할한 주입을 위해, 도 6c에 도시된 바와 같이 제2 우물층(W2)의 에너지 밴드 갭을 가장 작게하고 제3 우물층(W3)의 에너지 밴드갭을 가장 크게 할 수 있다. 이때, 제1 내지 제3 장벽층(B1, B2, B3) 중 적어도 하나의 두께를 조절하여 제1 내지 제3 우물층(W1, W2, W3)에 정공을 균형있게 주입함으로써 상측 세기 부분(UP)이 플랫한 형상을 갖도록 할 수 있다.
또한, 전자 차단층(230)으로부터 제1 우물층(W1) 쪽으로 정공의 주입이 원할하지 않을 경우, 도 6a에 도시된 바와 같이 제2 우물층(W2)의 에너지 밴드갭을 제3 우물층(W3)의 에너지 밴드 갭보다 크게 하거나, 장벽층(B1 내지 B3)의 에너지 밴드 갭의 크기를 줄이거나 두께를 줄일 수 있다. 여기서, 장벽층(B1 내지 B3)이 InGaN으로 구현될 경우, In의 조성을 높임으로써 장벽층(B1 내지 B3)의 에너지 밴드 갭의 크기를 줄일 수 있다.
전술한 도 6a 내지 도 6c에 도시된 바와 같이, 서로 다른 파장을 갖는 복수의 광을 방출시키기 위해, 제1 내지 제3 우물층(W1, W2, W3)은 다양한 레벨의 에너지 전도 대역(Ec)을 갖지만, 실시 예는 이에 국한되지 않는다. 즉, 서로 다른 파장을 갖는 복수의 광은 다양한 방법으로 생성될 수 있다. 예를 들어, 제1 내지 제3 우물층(W1, W2, W3)이 InGaN을 포함할 경우 In의 조성을 변경하거나, 제1 내지 제3 우물층(W1, W2, W3)의 두께(t1, t2, t3)를 조정하여, 서로 다른 파장을 갖는 복수의 광이 활성층(224)에서 방출되도록 할 수 있다.
한편, 광 조사부(120, 120A, 120B)로부터 방출되는 광의 반치폭의 하한 파장(WL)은 500㎚보다 작고, 광 조사부(120, 120A, 120B)로부터 방출되는 광의 반치폭의 상한 파장(WH)은 520㎚보다 클 수 있다. 예를 들어, 도 3b을 참조하면, 반치폭(wh2)의 하한 파장(WL)은 대략 465 ㎚로서 500 ㎚보다 작고, 반치폭(wh2)의 상한 파장(WH)은 대략 525 ㎚로서 520 ㎚보다 큼을 알 수 있다. 또한, 도 7을 참조하면, 반치폭(wh2)의 하한 파장(WL)은 대략 473 ㎚로서 500 ㎚보다 작고, 반치폭(wh2)의 상한 파장(WH)은 526 ㎚로서 520 ㎚보다 큼을 알 수 있다.
또한, 실시 예에 의하면, 광 조사부(120, 120A, 120B)로부터 방출되는 광의 반치폭의 파장 범위는 520㎚의 파장을 포함하도록 결정될 수 있다. 예를 들어, 도 3b를 참조하면 광의 반치폭(wh2)의 파장 범위는 465 ㎚ 내지 525 ㎚로서, 이 범위 내에 520 ㎚의 파장이 포함됨을 알 수 있다. 또한, 도 7을 참조하면, 광의 반치폭(wh2)의 파장 범위는 473 ㎚ 내지 526 ㎚로서, 이 범위 내에 520 ㎚의 파장이 포함됨을 알 수 있다.
또한, 실시 예에 의하면, 광 조사부(120, 120A, 120B)로부터 방출되는 반치폭 내에서 그린 광의 세기는 골과 마루가 반복되는 형태를 가질 수 있다. 예를 들어, 도 3b를 참조하면, 반치폭(wh2) 내에서 광의 세기는 골(valley)(V1)과 마루(peak)(P1, P2)가 반복되는 형태를 가질 수 있다. 또한, 도 7을 참조하면, 반치폭(wh2) 내에서 광의 세기는 골(V2, V3)과 마루(P3, P4, P5)가 반복되는 형태를 가질 수 있다.
또한, 골의 최소값은 마루의 최대값의 80% 이상일 수 있다. 예를 들어, 도 3b를 참조하면, 골(V1)의 최소값은 마루(P1, P2)의 최대값(P2)의 80% 이상임을 알 수 있다. 또한, 도 7을 참조하면, 골(V2, V3)의 최소값(V3)은 마루(P3, P4, P5)의 최대값(P3 또는 P5)의 80% 이상임을 알 수 있다.
또한, 골과 마루의 세기 차는 10% 이내일 수 있다. 예를 들어, 도 3b를 참조하면, 골(V1)의 세기와 마루(P1, P2)의 세기의 차이는 광의 세기의 최대치(100%)의 10% 이내일 수 있다. 이와 같이 반치폭(wh2) 내에서 상위 강도 레벨의 편차가 작을수록, 광의 세기 형상은 플랫(flat)할 수 있다.
한편, 수광부(130)는 광 조사부(120, 120A, 120B)로부터 조사된 후 인체(U)에서 반사되거나 투과된 광을 수광하는 역할을 한다. 즉, 수광부(130)는 일종의 포토 다이오드(photo diode)에 의해 구현될 수 있다.
제어부(140)는 수광부(130)에서 수광된 광을 이용하여 사용자의 생체 데이터를 계산하고, 계산된 생체 데이터를 출력한다. 여기서, 생체 데이터란, 예를 들어 사용자의 심박수(또는, 맥박수)일 수 있으나, 실시 예는 이에 국한되지 않는다.
도 8은 도 2에 도시된 제어부(140)의 일 실시 예(140A)에 의한 블럭도로서, 잡음 제거부(142), 증폭부(144) 및 데이터 계산부(146)를 포함할 수 있다.
도 8을 참조하면, 잡음 제거부(142)는 인체(U)에서 반사 또는 투과되어 입력단자 IN을 통해 수광된 광에서 민감하게 변동하는 파장 대역을 측정 데이터로서 자르고, 잘라진 데이터의 잡음을 제거하고, 잡음이 제거된 결과를 증폭부(144)로 출력한다.
여기서, 제어부(140, 140A)에서 계산하고자 하는 생체 데이터가 사용자의 심박수에 해당할 경우, 잡음 제거부(142)로 들어오는 수광된 광은 일종의 광용적맥파(photo-plethysmography, PPG) 신호일 수 있다.
심장 박동에 의하여 생성된 압력에 의해 혈관 내에서 혈액의 흐름이 생기며, 이 심장 박동이 발생할 때마다 압력은 손가락, 발가락, 귓불 등 신체의 말단 모세혈관까지 작용한다. 신체 말단 모세혈관의 동맥 혈액은 세포조직으로 혈액을 공급하고, 정맥을 통해 다시 심장으로 되돌아간다. 따라서 심장 박동이 발생할 때마다 신체 말단의 혈관에서 동맥 혈량이 증가하고 줄어드는 상태가 반복된다.
광 조사부(120, 120A, 120B)에서 인체(U)로 광을 조사할 경우, 혈액, 뼈, 조직에서 빛의 흡수가 발생하고 일부 광은 인체(U)를 투과 또는 인체(U)에서 반사하여 수광부(130)에 도달한다. 수광부(130)에서 검출된 광은 인체(U)에서 흡수된 광량만큼 차감되어 수신된다. 따라서, 수광부(130)에서 수신된 광의 광량 변화가 혈류 변화를 반영하게 된다. 이처럼, 수광부(130)에서 검출된 광의 광량을 측정함으로써 심장 박동에 동기화된 혈류량 변화를 검출할 수 있다. 즉, 수광부(130)에서 수신된 광 신호는 심장 박동에 따른 혈류량의 변화이며 '맥파'라고 부를 수 있다.
따라서, 수광부(130)에서 수광된 광을 이용하여 생체 데이터를 추출하는 전술한 실시 예는 EEG(Electroencephalography), ECG(Electrocardiography), EMG(Electromyography), PPG(Photoplethysmography), 호흡, EOG(Electrooculography) 등 다양한 분야에 적용될 수 있다.
일반적으로 PPG 신호의 경우 소정의 주파수 대역 예를 들어, 0.04 ㎐에서 0.4 ㎐까지의 주파수 대역에서 활성화될 수 있다. 이러한 활성 주파수 대역 이외에서 발생하는 잡음을 제거하기 위해, 잡음 제거부(142)로서 저역 통과 필터 또는 대역 통과 필터 등이 사용될 수 있다.
잡음 제거부(142)는 전기 신호의 잡음에 의해 발생하는 잡음, 인체(U) 내에서 발생할 수 있는 생체 전위에 의한 잡음, 사용자의 움직임에 의한 잡음 등 다양한 주파수 대역의 잡음을 제거하는 기능을 수행할 수 있으나, 실시 예는 잡음 제거부(142)에서 제거되는 잡음의 종류에 국한되지 않는다.
증폭부(144)는 잡음 제거부(142)에서 잡음이 제거된 결과를 증폭하고, 증폭된 결과를 데이터 계산부(146)로 출력한다. 잡음이 제거된 결과의 신호 레벨은 미약할 수 있다. 따라서, 증폭부(144)는 미약한 신호 레벨을 증폭시키는 역할을 한다. 따라서, 잡음이 제거된 결과의 신호 레벨이 미약하지 않을 경우 증폭부(144)는 생략될 수도 있다.
데이터 계산부(146)는 증폭부(144)에서 증폭된 결과를 이용하여 사용자의 생체 데이터를 계산하고, 계산된 생체 데이터를 출력단자 OUT를 통해 출력할 수 있다.
또한, 제어부(140)는 광 조사부(120, 120A, 120B)의 발광이나 수광부(130)의 수광을 제어할 수도 있다. 즉, 제어부(140)의 제어 하에 광 조사부(120, 120A, 120B)는 광을 방출할 수 있다. 또한, 제어부(140)의 제어 하에, 수광부(130)는 인체(U)로부터 반사된 광을 수신할 수도 있다.
또한, 다시 도 2를 참조하면, 알림부(150)는 제어부(140)에서 계산된 생체 데이터를 시각적 또는 청각적 중 적어도 하나의 방법으로 사용자에게 알릴 수 있다.
또한, 제어부(140)에서 계산된 생체 데이터는 사용자에게 제공될 수 있을 뿐만 아니라 원거리에 위치한 의료진에게 제공될 수도 있다. 이를 위해, 알림부(150)는 원거리에 위치한 의료진에게 계사된 생체 데이터를 전송하는 통신부(미도시)를 포함할 수도 있다.
다시 도 1을 참조하면, 하우징(housin)(110)은 사용자의 손목 등에 착용 가능한 형태를 가질 수 있으며, 서로 인접하여 배치된 광 조사부(120, 120A, 120B) 및 수광부(130)를 수용할 수 있다. 하우징(110)은 일종의 벨트일 수 있으나, 실시 예는 하우징(110)의 특정한 형태에 국한되지 않는다.
도 1의 경우, 광 조사부(120, 120A, 120B)와 수광부(130)는 인체(U)의 동일면(U1)에 나란히 배열된다. 이는, 수광부(130)가 인체(U)로부터 반사된 광을 수광하기 위해서이다. 그러나, 다른 실시 예에 의하면, 수광부(130)가 인체(U)를 투과한 광을 수신할 경우, 광 조사부(120, 120A, 120B)는 인체(U)의 제1 면(U1)에 배치되고, 수광부(130)는 제1 면(U1) 반대측의 제2 면(U2)에 배치될 수 있다. 이 경우, 하우징(110)은 제1 및 제2 면(U1, U2)에 각각 배치된 광 조사부(120, 120A, 120B)와 수광부(130)를 모두 수용하기에 적합한 형태를 가질 수 있다.
인체(U)의 생체 데이터 예를 들어 심박수를 측정하기 위해 인체(U)에 광을 주입하고, 인체(U)로부터 반사되는 광 또는 인체(U)를 투과하는 광을 이용하여 심박수를 측정할 때, 인종, 성별, 나이, 체중, 또는 피부 조직에 따라 인체(U)에 주입되는 광의 민감도가 달라질 수 있다.
도 9a 및 도 9b는 인체의 부위별 AC/DC 비율을 강도의 함수로서 보여주는 그래프이다. 여기서, AC/DC 비율이란, 광의 강도의 직류 성분(DC)에 대한 교류 성분(AC)의 비율을 나타낸다.
도 9a에 도시된 바와 같이, 광을 손목으로 조사할 경우 그린(Green) 광의 AC/DC 비율이 비교적 높게 나타난다. 반면에, 도 9b에 도시된 바와 같이, 광을 이마에 조사할 경우 블루 광의 AC/DC 비율이 비교적 높게 나타난다. 이는, 인체의 측정 부위에 따라 혈류 변화를 측정할 수 있는 스킨 깊이(skin depth)가 달라지기 때문이다.
이를 고려하여, 실시 예에 의한 생체 데이터 측정 장치(100)는 50 ㎚ 이상의 넓은 반치폭을 갖는 그린 광을 이용하여 생체 데이터를 측정한다. 그린 광은 넓은 파장 대역을 가지므로, 인종, 성별, 나이, 체중 또는 피부 조직에 크게 영향을 받지 않고 생체 데이터를 정확하게 산출할 수 있다.
이상에서 실시 예를 중심으로 설명하였으나 이는 단지 예시일 뿐 본 발명을 한정하는 것이 아니며, 본 발명이 속하는 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 실시 예의 본질적인 특성을 벗어나지 않는 범위에서 이상에 예시되지 않은 여러 가지의 변형과 응용이 가능함을 알 수 있을 것이다. 예를 들어, 실시 예에 구체적으로 나타난 각 구성 요소는 변형하여 실시할 수 있는 것이다. 그리고 이러한 변형과 응용에 관계된 차이점들은 첨부된 청구 범위에서 규정하는 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
발명의 실시를 위한 형태는 전술한 "발명의 실시를 위한 최선의 형태"에서 충분히 설명되었다.
실시 예에 의한 생체 데이터 측정 장치는, EEG(Electroencephalography), ECG(Electrocardiography), EMG(Electromyography), PPG(Photoplethysmography), 호흡, EOG(Electrooculography) 등 다양한 분야에 적용될 수 있다.

Claims (12)

  1. 사용자의 인체에 50 ㎚ 이상의 반치폭을 갖는 그린 광을 조사하는 광 조사부;
    상기 광 조사부로부터 조사된 후 상기 인체에서 반사 또는 상기 인체에서 투과된 광을 수광하는 수광부; 및
    상기 수광된 광을 이용하여 상기 사용자의 생체 데이터를 계산하는 제어부를 포함하는 생체 데이터 측정 장치.
  2. 제1 항에 있어서, 상기 반치폭의 하한 파장은 500㎚보다 작고,
    상기 반치폭의 상한 파장은 520㎚보다 크고,
    상기 반치폭 내에서 상기 그린 광의 세기는 골과 마루가 반복되는 형태를 갖고, 상기 골의 최소값은 상기 마루의 최대값의 80% 이상인 생체 데이터 측정 장치.
  3. 제1 항에 있어서, 상기 광 조사부는
    기판; 및
    상기 기판 위에 순차적으로 배치된 제1 도전형 반도체층, 활성층 및 제2 도전형 반도체층을 포함하는 발광 구조물을 포함하고,
    상기 활성층은 서로 교호적으로 배치된 복수의 우물층 및 복수의 장벽층을 포함하고,
    상기 복수의 우물층 중 적어도 2개의 우물층에서 각각 방출되는 적어도 2개의 광의 파장은 서로 다른 생체 데이터 측정 장치.
  4. 제3 항에 있어서, 상기 적어도 2개의 우물층은 적어도 3개의 우물층을 포함하고,
    상기 적어도 3개의 우물층은 서로 다른 파장을 갖는 적어도 3개의 광을 방출하고, 상기 적어도 3개의 광은 제1 내지 제3 광을 포함하고,
    상기 제1 내지 제3 광 중 어느 하나의 피크 파장의 범위는 480 ㎚를 포함하고,
    상기 제1 내지 제3 광 중 다른 하나의 피크 파장의 범위는 520 ㎚를 포함하고,
    상기 제1 내지 제3 광 중 나머지 하나의 피크 파장의 범위는 500 ㎚를 포함하는 생체 데이터 측정 장치.
  5. 제3 항에 있어서, 상기 광 조사부는
    상기 활성층과 상기 제2 도전형 반도체층 사이에 배치된 전자 차단층을 더 포함하고,
    상기 적어도 2개의 우물층은
    상기 전자 차단층과 상기 제1 도전형 반도체층 사이에 배치된 제1 우물층;
    상기 제1 우물층과 상기 제1 도전형 반도체층 사이에 배치된 제2 우물층; 및
    상기 제2 우물층과 상기 제1 도전형 반도체층 사이에 배치된 제3 우물층을 포함하고,
    상기 제1 내지 제3 우물층 중에서 상기 제2 또는 제3 우물층이 가장 작은 에너지 밴드갭을 갖는 생체 데이터 측정 장치.
  6. 제5 항에 있어서, 상기 제1 우물층에서 방출되는 제1 광의 피크 파장은 상기 제2 우물층에서 방출되는 제2 광의 피크 파장과 상기 제3 우물층에서 방출되는 제3 광의 피크 파장 사이에 존재하고,
    상기 제1 우물층에서 방출되는 제1 광의 파장은 상기 제2 우물층에서 방출되는 제2 광의 파장과 상기 제3 우물층에서 방출되는 제3 광의 파장보다 낮고,
    상기 전자 차단층의 도핑 농도는 1 x E17 원자수/㎤ 내지 1 x E22 원자수/㎤인 생체 데이터 측정 장치.
  7. 제5 항에 있어서, 상기 제2 우물층의 에너지 밴드갭은 상기 제3 우물층의 에너지 밴드갭보다 큰 생체 데이터 측정 장치.
  8. 제5 항에 있어서, 상기 제1 내지 제3 우물층 중에서, 상기 제2 우물층의 에너지 밴드갭이 가장 작고 상기 제3 우물층의 에너지 밴드갭이 가장 큰 생체 데이터 측정 장치.
  9. 제5 항에 있어서, 상기 제3 우물층의 에너지 밴드갭은 상기 제2 우물층의 에너지 밴드갭보다 큰 생체 데이터 측정 장치.
  10. 제1 항에 있어서,
    상기 광 조사부 및 상기 수광부가 서로 인접하여 배치된 하우징을 포함하고,
    상기 제어부는
    상기 수광된 광을 이용하여 상기 사용자의 심박수를 산출하는 생체 데이터 측정 장치.
  11. 제1 항에 있어서, 상기 광 조사부는
    50 ㎚보다 적은 반치폭을 갖는 광을 방출하는 광원; 및
    상기 광원으로부터 방출되는 상기 광의 반치폭을 50 ㎚ 이상으로 변환한 후 상기 그린 광으로서 상기 인체로 조사하는 광 변환부를 포함하고,
    상기 광원과 상기 광 변환부는 일체형인 생체 데이터 측정 장치.
  12. 제11 항에 있어서, 상기 광 변환부는
    상기 광원으로부터 방출되는 광의 반치폭의 하한 파장과 상한 파장을 변환하여, 50 ㎚이상의 반치폭을 갖는 상기 그린 광을 생성하고,
    상기 상한 파장보다 상기 하한 파장을 상대적으로 더 많이 변환하는 생체 데이터 측정 장치.
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